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Science突破:科學家首次在體外重建HIV復制和整合過程,病毒“保護殼”或是治療突破口

2020/10/10 生物探索
導讀:首次在體外揭示了HIV感染宿主細胞的第一步——病毒如何依次完成逆轉錄和整合,并提供直接證據證明病毒衣殼是HIV感染的重要元件。


人類免疫缺陷病毒(HIV),即艾滋?。ˋIDS)病毒,是造成人類免疫系統缺陷的一種病毒。當前,抗逆轉錄病毒療法(ART)通過阻斷病毒酶作用達到抑制病毒復制的效果,為HIV感染者贏得一線生機。

當然,耐藥性問題也隨之而來。盡管 “雞尾酒療法”(高效抗逆轉錄病毒治療,HAART)的提出為應對單一ART藥物耐藥性問題帶來了新的出路,但與此同時科學家們也在探索,是否還有其他療法能夠為AIDS患者帶來生機?

10月9日,美國弗吉尼亞大學猶他大學的研究人員共同在《Science》發表了題為“Reconstitution and visualization of HIV-1 capsid-dependent replication and integration in vitro”的文章,通過構建一個無細胞系統,首次在體外揭示了HIV感染宿主細胞的第一步——病毒如何依次完成逆轉錄和整合,并提供直接證據證明病毒衣殼是HIV感染的重要元件。


DOI: 10.1126/science.abc8420

猶他大學醫學院生物化學系教授Wesley I. Sundquist博士說:“我們正在學習人類所遇到的最重要病原體之一的新知識,這很重要,它幫助我們了解HIV感染宿主細胞的方式?!?/p>

HIV是一種單鏈RNA病毒,為了感染宿主細胞,必須將單鏈RNA基因組通過逆轉錄酶逆轉錄為雙鏈DNA副本,并把該副本整合到宿主染色體中。盡管科學家們通過一系列結構、生化、以及分子病毒學分析分別表征了這兩個過程,但是由于病毒粒子深藏于細胞質與細胞核中,因此難以在細胞外對其進行機制上的研究。


HIV-1衣殼依賴性復制與整合的體外重建與可視化

為了克服這個困難,研究人員利用純化的HIV-1病毒顆粒作為病毒基因組和酶的來源,在無細胞系統中重建了這些過程。

首先通過使用一種能穿孔的多肽讓HIV-1輕微滲透病毒包膜,接著添加脫氧核苷酸三磷酸(dNTPs)啟動了內源性逆轉錄(ERT)過程,然后添加細胞提取物,模擬病毒DNA整合進外源DNA的過程。深度測序和克隆分析表明,在這個無細胞系統中發生了雙鏈DNA的積累,并且病毒DNA整合方式與HIV感染細胞的方式一致。

從外觀上來看,HIV病毒類似于一個圓形的蛋卷冰淇淋,六角形晶格的衣殼將病毒的遺傳物質包裹在里面。先前的研究表明,HIV衣殼的主要作用是保護病毒的遺傳物質。但是在這項研究中,研究人員發現,衣殼似乎在病毒感染細胞的過程中起著關鍵的作用。當使用遺傳和生化方法破壞衣殼的穩定性時,HIV竟然無法有效復制其遺傳物質。

在進一步分析中,研究人員使用冷凍電子顯微鏡和分子建模技術讓病毒衣殼上的每一個衣殼蛋白可視化。通過近距離觀察,研究人員發現,病毒脫殼是通過一系列的分解中間產物進行的,在8~10小時后病毒核酸鏈會從晶格開口處擠出,并且病毒衣殼在ERT反應期間基本上保持完整。


病毒復制過程中的影像核心。(A) 在標準ERT條件下,8到10小時后觀察到的破裂巖芯的斷層切片。(B)衣殼晶格映射及三維排列圖

這是首次有研究直接證明,衣殼不僅是病毒的“包裝”,還是其感染過程起著積極作用。

Sundquist說:“這與教科書寫的不同。我們的數據表明,病毒衣殼在支持有效的逆轉錄中起著積極和不可或缺的作用?!?/p>

總之,這項研究使人們對HIV的感染原理有了新的認識,也有助于解釋為何一些針對HIV衣殼的在研藥物在臨床實驗中表現突出,說明HIV衣殼或許是改善AIDS這種終身性疾病治療方式的重要突破口。

參考資料:

1.Reconstitution and visualization of HIV-1 capsid-dependent replication and integration in vitro

2.HIV up close: Unprecedented view of virus reveals essential steps for causing AIDS

3.人類免疫缺陷病毒(HIV)衣殼蛋白之漫漫征程

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